Diseño Amplificador Operacional

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN COMPUTACIÓN

SISTEMAS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS DE DOS ETAPAS

ANA PATRICIA PIÑA PARRA

JUNIO 2012

Introducción
El amplificador operacional (Op Amp por sus siglas en inglés) es un amplificador de altas ganancias y cuyo voltaje de salida consiste en la diferencia de voltaje de sus dosentradas multiplicada por la ganancia del amplificador.

Fig. 1.1 Símbolo general de un amplificador operacional

Los requerimientos básicos de un Op Amp son [1]:

• Ganancia suficientemente grande (la precisión en el procesamiento de señales determina esto).
• Las entradas diferenciales.
• Las características de la frecuencia que permiten una operación estable cuando la retroalimentaciónnegativa es aplicada.

Amplificador operacional de dos etapas
Un Op Amp de dos etapas es comúnmente un amplificador diferencial, recordemos que este a su vez se compone de un espejo de corriente, además de una fase de compensación para garantizar una operación estable cuando se aplica la retroalimentación negativa, esto es cuando la entrada negativa del Op Amp se conecta a la salida.
Existendiferentes tipos de compensación [1]:
* Miller. Uso de un capacitor de retroalimentación alrededor de una alta ganancia.
* Autocompensación. Un capacitor de carga compensa el Op Amp.
* Alimentación progresiva.
* Omitir una ganancia positiva dando como resultado un avance en la fase. La ganancia puede ser menor que la unidad.


Diseño de un amplificador operacional de dosetapas con tecnología CMOS

Pasos para un diseño óptimo [2]

1. Elegir la estructura básica del Op Amp.
2. Elegir los valores de corriente directa y el tamaño de los transistores.
3. Implementación física del diseño. Layout, conexiones, extracción de capacitancias parásitas.
4. Fabricación.
5. Pruebas.

Entradas del diseño [2]

Condiciones de frontera
1. Especificacionesdel proceso (Vt, K’, Cox)
2. Voltajes y corrientes de alimentación
3. Temperatura y rango de operación

Requerimientos
1. Ganancia
2. Ancho de banda
3. Settling time o Tiempo de estabilidad
4. Slew rate. Tiempo de cambio en voltaje de un nivel bajo a un nivel alto y viceversa.
5. ICMR. Rango de entrada en modo común.
6. CMRR. Razón de rechazo en modo común.
7.PSRR. Razón de rechazo de fuente de alimentación.
8. Swing. Cambio de voltaje de salida.
9. Resistencia de salida.
10. Offset.
11. Ruido
12. Área del layout.

Salidas del diseño del Op Amp [2]

1. Topología.
2. Corrientes directas.
3. Valores de W y L de los transistores.
4. Valores de los componentes.

Ecuaciones de relación a considerar en el diseño deun Op Amp de dos etapas

Slew rate SR=I5Cc Asumir que I7≫I4 y CL>Cc

Ganancia de la primera etapa Av1=gm1gds2+gds4=2gm1I5l2+l4

Ganancia de la segunda etapa Av2=gm6gds6+gds7=gm6I6l6+l7

Ganancia de ancho de banda GB=gm1Cc

Polo de salida p2=-gm6CL

RHP Cero z1=gm6Cc

Margen de fase de 60° requiere que gm6-2.2gm2CLCc si todas las raices son ≥10GB
ICMR positivoVinmax=VDD-I5b3-VTO3max+VT1min

ICMR negativo Vinmin=Vss+I5b1+VT1max+VDS5sat

Tipos de análisis considerados en el diseño

* Análisis DC. Análisis en continua donde la variable independiente puede ser cualquier fuente de alimentación, parámetro de un componente o temperatura.
* Análisis Transitorio. Es un análisis en el dominio del tiempo.
* Análisis AC o análisis en el dominio de la frecuencia.Permite comprobar cómo se comporta el circuito para diferentes frecuencias de la señal de entrada.

Diseño del Op Amp

Asumiendo las siguientes consideraciones.
* Longitud de canal 0.5 μm
* Capacitor de carga CL = 10pF.
* Ganancia Av > 3000V/V
* VDD =2.5V
* GB = 5MHz
* SR > 10V/μs
* Margen de fase de 60° 0.5V< rango Vout < 2V
* ICMR = 1.25V a...